Concrete hydraulic structures such as: Dams, Intake Towers, Piers and dock are usually recognized as" Vital and Special Structures" that must have sufficient safety margin at critical conditions like when earthquake occurred as same as normal servicing time. Hence, to evaluate hydrodynamic pressures generated due to seismic forces and Fluid-Structure Interaction (FSI); introduction to fluid-structure domains and interaction between them are inevitable. For this purpose, first step is exact modeling of water-structure and their interaction conditions. In this paper, the basic equation involved the water-structure-foundation interaction and the effective factors are explained briefly for concrete hydraulic structure types. The finite element modeling of two concrete gravity dams with 5 m, 150 m height, reservoir water and foundation bed rock is idealized and then the effects of fluid domain and bed rock have been investigated on modal characteristic of dams. The analytical results obtained from numerical studies and modal analysis show that the accurate modeling of dam-reservoir-foundation and their interaction considerably affects the modal periods, mode shapes and modal hydrodynamic pressure distribution. The results show that the foundation bed rock modeling increases modal periods about 80%, where reservoir modeling changes modal shapes and increases the period of all modes up to 30%. Reservoir-dam-foundation interaction increases modal period from 30% to 100% for different cases.
This paper examines the ice cover effects on the seismic response of concrete gravity dam-reservoir-foundation interaction systems subjected to a horizontal earthquake ground motion. ANSYS program is used for finite element modeling and analyzing the ice-dam-reservoir-foundation interaction system. The ice-dam-reservoir interaction system is considered by using the Lagrangian (displacementbased) fluid and solid-quadrilateral-isoparametric finite elements. The Sariyar concrete gravity dam in Turkey is selected as a numerical application. The east-west component of Erzincan earthquake, which occurred on 13 March 1992 in Erzincan, Turkey, is selected for the earthquake analysis of the dam. Dynamic analyses of the dam-reservoir-foundation interaction system are performed with and without ice cover separately. Parametric studies are done to show the effects of the variation of the length, thickness, elasticity modulus and density of the ice-cover on the seismic response of the dam. It is observed that the variations of the length, thickness, and elasticity modulus of the ice-cover influence the displacements and stresses of the coupled system considerably. Also, the variation of the density of the ice-cover cannot produce important effects on the seismic response of the dam.
This paper presents seismic analysis of concrete gravity dams considering soil-structure-fluid interaction. Displacement based plane strain finite element formulation is considered for the dam and foundation domain whereas pressure based finite element formulation is considered for the reservoir domain. A direct coupling method has been adopted to obtain the interaction effects among the dam, foundation and reservoir domain to obtain the dynamic responses of the dam. An efficient absorbing boundary condition has been implemented at the truncation surfaces of the foundation and reservoir domains. A parametric study has been carried out considering each domain separately and collectively based on natural frequencies, crest displacement and stress at the neck level of the dam body. The combined frequency of the entire coupled system is very less than that of the each individual sub-system. The crest displacement and neck level stresses of the dam shows prominent enhancement when coupling effect is taken into consideration. These outcomes suggest that a complete coupled analysis is necessary to obtain the actual responses of the concrete gravity dam. The developed methodology can easily be implemented in finite element code for analyzing the coupled problem to obtain the desired responses of the individual subdomains.
Dynamic analyses for a suite of ground of motions were conducted on concrete gravity dam sections to examine the earthquake induced stresses and effective damping. For this purpose, frequency domain methods that rigorously incorporate dam-reservoir-foundation interaction and time domain methods with approximate hydrodynamic foundation interaction effects were employed. The maximum principal tensile stresses and their distribution at the dam base, which are important parameters for concrete dam design, were obtained using the frequency domain approach. Prediction equations were proposed for these stresses and their distribution at the dam base. Comparisons of the stress results obtained using frequency and time domain methods revealed that the dam height and ratio of modulus of elasticity of foundation rock to concrete are significant parameters that may influence earthquake induced stresses. A new effective damping prediction equation was proposed in order to estimate earthquake stresses accurately with the approximate time domain approach.
Bayraktar, Alemdar;Altunisik, Ahmet Can;Sevim, Baris;Kartal, Murat Emre;Turker, Temel
Structural Engineering and Mechanics
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v.28
no.4
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pp.411-442
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2008
Ground motions in near source region of large crustal earthquakes are significantly affected by rupture directivity and tectonic fling. These effects are the strongest at longer periods and they can have a significant impact on Engineering Structures. In this paper, it is aimed to determine near-fault ground motion effects on the nonlinear response of dams including dam-reservoir-foundation interaction. Four different types of dam, which are gravity, arch, concrete faced rockfill and clay core rockfill dams, are selected to investigate the near-fault ground motion effects on dam responses. The behavior of reservoir is taken into account by using Lagrangian approach. Strong ground motion records of Duzce (1999), Northridge (1994) and Erzincan (1992) earthquakes are selected for the analyses. Displacements, maximum and minimum principal stresses are determined by using the finite element method. The displacements and principal stresses obtained from the four different dam types subjected to these nearfault strong-ground motions are compared with each other. It is seen from the results that near-fault ground motions have different impacts on the dam types.
Today, many important concrete face rockfill dams (CFRDs) have been built on the world, and some of these important structures are located on the strong seismic regions. In this reason, examination and monitoring of these water construction's seismic behaviour is very important for the safety and future of these dams. In this study, the nonlinear seismic behaviour of Ilısu CFR dam which was built in Turkey in 2017, is investigated for various reservoir water heights taking into account 1995 Kobe near-fault and far-fault ground motions. Three dimensional (3D) finite difference model of the dam is created using the FLAC3D software that is based on the finite difference method. The most suitable mesh range for the 3D model is chosen to achieve the realistic numerical results. Mohr-Coulomb nonlinear material model is used for the rockfill materials and foundation in the seismic analyses. Moreover, Drucker-Prager nonlinear material model is considered for the concrete slab to represent the nonlinearity of the concrete. The dam body, foundation and concrete slab constantly interact during the lifetime of the CFRDs. Therefore, the special interface elements are defined between the dam body-concrete slab and dam body-foundation due to represent the interaction condition in the 3D model. Free field boundary condition that was used rarely for the nonlinear seismic analyses, is considered for the lateral boundaries of the model. In addition, quiet artificial boundary condition that is special boundary condition for the rigid foundation in the earthquake analyses, is used for the bottom of the foundation. The hysteric damping coefficients are separately calculated for all of the materials. These special damping values is defined to the FLAC3D software using the special fish functions to capture the effects of the variation of the modulus and damping ratio with the dynamic shear-strain magnitude. Total 4 different reservoir water heights are taken into account in the seismic analyses. These water heights are empty reservoir, 50 m, 100 m and 130 m (full reservoir), respectively. In the nonlinear seismic analyses, near-fault and far-fault ground motions of 1995 Kobe earthquake are used. According to the numerical analyses, horizontal displacements, vertical displacements and principal stresses for 4 various reservoir water heights are evaluated in detail. Moreover, these results are compared for the near-fault and far-faults earthquakes. The nonlinear seismic analysis results indicate that as the reservoir height increases, the nonlinear seismic behaviour of the dam clearly changes. Each water height has different seismic effects on the earthquake behaviour of Ilısu CFR dam. In addition, it is obviously seen that near-fault earthquakes and far field earthquakes create different nonlinear seismic damages on the nonlinear earthquake behaviour of the dam.
Time dependent creep settlements are one of the most important causes of material deteriorations for the huge water structures such as concrete faced rockfill dams (CFRDs). For this reason, performing creep analyses of CFRDs is vital important for monitoring and evaluating of the future and safety of such dams. In this study, it is observed how changes viscoplastic behaviour of a CFR dam depending the time. Ilısu dam that is the longest concrete faced rockfill dam (1775 m) in the world is selected for the three dimensional (3D) analyses. 3D finite difference model of Ilısu dam is modelled using FLAC3D software based on the finite difference method. Two different special creep material models are considered in the numerical analyses. Wipp-creep viscoplastic material model and burger-creep viscoplastic material model were rarely used for the creep analyses of CFRDs in the last are taken into account for the concrete slab and rockfill materials-foundation, respectively. Moreover, interface elements are defined between the concrete slab-rockfill materials and rockfill materials-foundation to provide interaction condition for 3D model. Firstly, dam and foundation are collapsed under its self-weight and static behaviour of the dam is evaluated for the empty reservoir conditions. Then, reservoir water is modelled considering maximum water level of the dam and time-dependent creep analyses are performed for maximum reservoir condition. In this paper, maximum principal stresses, vertical-horizontal displacements and pore pressures that may occur on the dam body surface during 30 years (from 2017 to 2047) are evaluated in detail. According to numerical analyses, empty and maximum reservoir conditions of Ilısu dam are compared with each other in detail. 4 various nodal points are selected under the concrete slab to better seen viscoplastic behaviour changes of the dam and viscoplastic behaviour differences of these points during 30 years are graphically presented. It is clearly seen that horizontal-vertical displacements and principal stresses for maximum reservoir condition are more than the empty reservoir condition of the dam and significant pore pressures are observed during 30 years for maximum reservoir condition. In addition, horizontal-vertical displacements, principal stresses and pore pressures for 4 nodal points obviously increased until a certain time and changes decreased after this time.
Dams play a vital role in the development and sustainment in a country. Failure of dams leads to the catastrophic event with sudden release of water and is of great concern. Hence earthquake-resistant design of dams is of prime importance. The present study involves static, modal and transient analyses of dam-reservoir-foundation system using finite element software ANSYS 15. The dam and the foundation are modeled with 2D plane strain element "PLANE 42" and the reservoir by fluid acoustic element "FLUID 29" with proper consideration of fluid-structure interaction. An expression for the fundamental period of concrete dams is developed based on modal analysis. Seismic response of gravity dams subjected to earthquake acceleration is evaluated in terms of peak displacement and stress.
Proceedings of the Earthquake Engineering Society of Korea Conference
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1999.04a
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pp.267-274
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1999
Since the seismic response of dams can be strongly influenced by the dam-reservior interaction in needs to be taken into account in the seismic design of dams. In general a substructure method is employed to solve the dam-reservoir interaction problem in which the dam body is modeled with finite elements and the infinite region of a reservoir using a transmitting boundary. When the water is modeled as a compressible fluid the equation is formulated in frequency domain. But nonlinear behavior of dam body cannot be studied easily in the frequency domain method. In this study time domain formulation of the dam-reservoir-soil interaction is proposed based onthe lumped parameter modeling of the reservoir region, The frequency dependent dynamic-stiffness coefficients of the reservoir are converted into frequency independent lumped-parameters such as masses dampers and springs. The soil-structure interactionis modeled using lumped parameters in similar way. the ground is assumed as a visco-elastic stratum on the rigid bedrock. The dynamic stiffnesses of the rigid surface foundation are calculated using the hyperelement method and are converted into lumped parameters. The application example demonstrated that the lumped parameter model gives almost identical results with the frequency domain formulation.
The dams are huge structures storing a large amount of water and failures of them cause especially irreparable loss of lives during the earthquakes. They are named as a group of structures subjected to fluid-structure interaction. So, the response of the fluid and its hydrodynamic pressures on the dam should be reflected more accurately in the structural analyses to determine the real behavior as soon as possible. Different mathematical and analytical modelling approaches can be used to calculate the water hydrodynamic pressure effect on the dam body. In this paper, it is aimed to determine the dynamic response of concrete gravity dams using different water modelling approaches such as Westergaard, Lagrange and Euler. For this purpose, Sariyar concrete gravity dam located on the Sakarya River, which is 120km to the northeast of Ankara, is selected as a case study. Firstly, the main principals and basic formulation of all approaches are given. After, the finite element models of the dam are constituted considering dam-reservoir-foundation interaction using ANSYS software. To determine the structural response of the dam, the linear transient analyses are performed using 1992 Erzincan earthquake ground motion record. In the analyses, element matrices are computed using the Gauss numerical integration technique. The Newmark method is used in the solution of the equation of motions. Rayleigh damping is considered. At the end of the analyses, dynamic characteristics, maximum displacements, maximum-minimum principal stresses and maximum-minimum principal strains are attained and compared with each other for Westergaard, Lagrange and Euler approaches.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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